使用 Python 和 Asyncio 編寫在線多人遊戲（一）

1、簡介

在技術和文化領域，大規模多人在線遊戲（MMO）毋庸置疑是我們當今世界的潮流之一。很長時間以來，為一個 MMO 遊戲寫一個伺服器這件事總是會涉及到大量的預算與複雜的底層編程技術，不過在最近這幾年，事情迅速發生了變化。基於動態語言的現代框架允許在中檔的硬體上面處理大量並發的用戶連接。同時，HTML5 和 WebSockets 標準使得創建基於實時圖形的遊戲的直接運行至瀏覽器上的客戶端成為可能，而不需要任何的擴展。

對於創建可擴展的非堵塞性的伺服器來說，Python 可能不是最受歡迎的工具，尤其是和在這個領域裡最受歡迎的 Node.js 相比而言。但是最近版本的 Python 正在改變這種現狀。asyncio 的引入和一個特別的 async/await 語法使得非同步代碼看起來像常規的阻塞代碼一樣，這使得 Python 成為了一個值得信賴的非同步編程語言，所以我將嘗試利用這些新特點來創建一個多人在線遊戲。

2、非同步

一個遊戲伺服器應該可以接受儘可能多的用戶並發連接，並實時處理這些連接。一個典型的解決方案是創建線程，然而在這種情況下並不能解決這個問題。運行上千的線程需要 CPU 在它們之間不停的切換（這叫做上下文切換），這將導致開銷非常大，效率很低下。更糟糕的是使用進程來實現，因為，不但如此，它們還會佔用大量的內存。在 Python 中，甚至還有一個問題，Python 的解釋器（CPython）並不是針對多線程設計的，相反它主要針對於單線程應用實現最大的性能。這就是為什麼它使用 GIL（global interpreter lock），這是一個不允許同時運行多線程 Python 代碼的架構，以防止同一個共享對象出現使用不可控。正常情況下，在當前線程正在等待的時候，解釋器會轉換到另一個線程，通常是等待一個 I/O 的響應（舉例說，比如等待 Web 伺服器的響應）。這就允許在你的應用中實現非阻塞 I/O 操作，因為每一個操作僅僅阻塞一個線程而不是阻塞整個伺服器。然而，這也使得通常的多線程方案變得幾近無用，因為它不允許你並發執行 Python 代碼，即使是在多核心的 CPU 上也是這樣。而與此同時，在一個單一線程中擁有非阻塞 I/O 是完全有可能的，因而消除了經常切換上下文的需要。

實際上，你可以用純 Python 代碼來實現一個單線程的非阻塞 I/O。你所需要的只是標準的 select 模塊，這個模塊可以讓你寫一個事件循環來等待未阻塞的 socket 的 I/O。然而，這個方法需要你在一個地方定義所有 app 的邏輯，用不了多久，你的 app 就會變成非常複雜的狀態機。有一些框架可以簡化這個任務，比較流行的是 tornade 和 twisted。它們被用來使用回調方法實現複雜的協議（這和 Node.js 比較相似）。這種框架運行在它自己的事件循環中，按照定義的事件調用你的回調函數。並且，這或許是一些情況的解決方案，但是它仍然需要使用回調的方式編程，這使你的代碼變得碎片化。與寫同步代碼並且並發地執行多個副本相比，這就像我們在普通的線程上做的一樣。在單個線程上這為什麼是不可能的呢？

這就是為什麼出現微線程（microthread）概念的原因。這個想法是為了在一個線程上並發執行任務。當你在一個任務中調用阻塞的方法時，有一個叫做「manager」 (或者「scheduler」)的東西在執行事件循環。當有一些事件準備處理的時候，一個 manager 會轉移執行權給一個任務，並等著它執行完畢。任務將一直執行，直到它遇到一個阻塞調用，然後它就會將執行權返還給 manager。

微線程也稱為輕量級線程（lightweight threads）或綠色線程（green threads）（來自於 Java 中的一個術語）。在偽線程中並發執行的任務叫做 tasklets、greenlets 或者協程（coroutines）。

Python 中的微線程最早的實現之一是 Stackless Python。它之所以這麼知名是因為它被用在了一個叫 EVE online 的非常有名的在線遊戲中。這個 MMO 遊戲自稱說在一個持久的「宇宙」中，有上千個玩家在做不同的活動，這些都是實時發生的。Stackless 是一個獨立的 Python 解釋器，它代替了標準的函數棧調用，並且直接控制程序運行流程來減少上下文切換的開銷。儘管這非常有效，這個解決方案不如在標準解釋器中使用「軟」庫更流行，像 eventlet 和 gevent 的軟體包配備了修補過的標準 I/O 庫，I/O 函數會將執行權傳遞到內部事件循環。這使得將正常的阻塞代碼轉變成非阻塞的代碼變得簡單。這種方法的一個缺點是從代碼上看這並不分明，它的調用是非阻塞的。新版本的 Python 引入了本地協程作為生成器的高級形式。在 Python 的 3.4 版本之後，引入了 asyncio 庫，這個庫依賴於本地協程來提供單線程並發。但是僅僅到了 Python 3.5 ，協程就變成了 Python 語言的一部分，使用新的關鍵字 async 和 await 來描述。這是一個簡單的例子，演示了使用 asyncio 來運行並發任務。

import asyncio

async def my_task(seconds):
    print("start sleeping for {} seconds".format(seconds))
    await asyncio.sleep(seconds)
    print("end sleeping for {} seconds".format(seconds))

all_tasks = asyncio.gather(my_task(1), my_task(2))
loop = asyncio.get_event_loop()
loop.run_until_complete(all_tasks)
loop.close()    

我們啟動了兩個任務，一個睡眠 1 秒鐘，另一個睡眠 2 秒鐘，輸出如下：

start sleeping for 1 seconds
start sleeping for 2 seconds
end sleeping for 1 seconds
end sleeping for 2 seconds

正如你所看到的，協程不會阻塞彼此——第二個任務在第一個結束之前啟動。這發生的原因是 asyncio.sleep 是協程，它會返回執行權給調度器，直到時間到了。

在下一節中，我們將會使用基於協程的任務來創建一個遊戲循環。

via: https://7webpages.com/blog/writing-online-multiplayer-game-with-python-asyncio-getting-asynchronous/

作者：Kyrylo Subbotin 譯者：xinglianfly 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

（題圖來自：deviantart.net）

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive